群体基因组学揭示地钱(Marchantia polymorpha subsp. ruderalis)的气候适应机制

本研究针对苔藓植物独特的单倍体显性生活史如何影响种群遗传结构这一科学问题，通过测序209份欧洲和日本的地钱样本，发现欧洲种群无遗传结构而日欧种群显著分化，鉴定出与温度(BIO4/BIO5/BIO10)和降水(BIO18)相关的适应性SNPs。该研究为理解单倍体显性植物的进化机制提供了首个全基因组尺度证据，相关成果发表于《Current Biology》。

　　在植物进化研究领域，苔藓植物因其独特的单倍体显性生活史而备受关注。与常见的开花植物不同，苔藓植物如地钱(Marchantia polymorpha subsp. ruderalis)在其生命周期中单倍体阶段占主导地位，通过游动精子进行有性生殖，这种生殖方式被认为会影响其遗传多样性分布模式。然而，长期以来科学家们对苔藓植物自然种群的遗传变异情况知之甚少，特别是单倍体显性对种群遗传结构的影响机制尚不明确。

为揭示这一科学问题，奥地利科学院Gregor Mendel研究所的Shuangyang Wu等研究人员开展了一项开创性研究。通过对209份来自欧洲和日本的地钱样本进行全基因组测序，研究人员系统分析了这种全球性分布苔藓的种群遗传特征。该研究不仅建立了首个地钱自然变异资源库，更重要的是揭示了单倍体显性植物独特的进化模式，相关成果发表在《Current Biology》杂志。

研究采用了多项关键技术：1)跨37个地理位点的样本采集(欧洲183份，日本23份)；2)全基因组测序(平均覆盖度23.45×)；3)基于Hamming距离的克隆鉴定；4)主成分分析(PCA)和群体结构分析(ADMIXTURE)；5)核苷酸多样性(Pi)、遗传分化指数(F_st)和连锁不平衡(LD)分析；6)梯度森林算法(GF)进行基因-环境关联研究；7)SMC++进行种群历史重建。

研究结果部分，"Geographical distribution of 209 M. polymorpha subsp. ruderalis accessions"显示：通过基因组距离(GD)分析发现78个遗传独特个体，部分亚群完全克隆繁殖(如匈牙利Sopron和奥地利MaG)，其他亚群则同时存在有性和无性繁殖。"Population structure of 78 accessions"部分通过PCA和ADMIXTURE分析揭示：日本与欧洲种群显著分化(K=2)，但欧洲内部无种群结构，剑桥样本在PC2上略有分离。"There is no substantial genetic differentiation among the European populations"部分显示：欧洲7个亚群间遗传分化极低(F_st<0.005)，且不存在距离隔离(IBD)或环境隔离(IBE)效应。"There is substantial genetic differentiation between the European and Japanese populations"部分发现：日本种群遗传多样性更低(Pi=0.00246 vs 欧洲0.00375)，5号和8号染色体着丝粒区域贡献了主要分化(F_st=0.137)。"LD and population demography"部分表明：欧洲种群连锁不平衡更低(1.6 kb vs 日本4.3 kb)，有效种群规模更大(~3000 vs 日本~700)，且分别在13000和5000年前经历瓶颈。"Summer temperature and precipitation affect the frequency of adaptive alleles"部分通过GF分析鉴定出2191个气候相关SNPs，其中温度季节性(BIO4)、最热月最高温(BIO5)和最暖季降水(BIO18)是主要选择压力，日本种群适应更温暖湿润气候。

在讨论与结论部分，研究揭示了单倍体显性地钱的独特进化模式：1)孢子长距离扩散导致欧洲无遗传结构，与二倍体显性的拟南芥形成鲜明对比；2)夏季温度和降水是主要选择压力，可能与有性生殖需水有关；3)5号和8号染色体着丝粒区域在日欧分化中起关键作用。该研究不仅建立了重要的遗传资源平台，更为理解单倍体显性植物的适应性进化提供了新视角，对研究植物生活史进化具有重要意义。未来通过扩展样本地理范围，可进一步揭示全球尺度下的适应机制。